Använda Peltier-moduler för termisk hantering av elektroniska system

Att klara av värmen som genereras av elektroniska komponenter är ett oändligt problem. Tiden med den diskreta transistorn, som lovar lågeffektkretsdesign, har till stor del ersatts av mikroelektroniska kretsar som inte bara integrerar tusentals utan miljontals transistorer.

Medan effektförlusten på grund av ineffektiviteten hos en enskild transistor kan vara liten, kan den totala summan av dessa förluster från en komplex IC såsom en mikrokontroller vara betydande. När du har utformat flera IC-apparater och olika andra enheter till en bit elektronisk utrustning är du tillbaka på att behöva hitta ett sätt att hantera den resulterande värmen.

Detta gäller särskilt när kunder kräver allt större utrustningsfunktionalitet, vilket kräver att fler och fler enheter packas i samma eller ibland ännu mindre utrymme. Sådan ökad systemtäthet kan vara självdödande men om exempelvis processorns klockhastighet måste sänkas för att hålla strömförlusten inom termiska gränser.

Väletablerade och beprövade metoder för att extrahera överflödig värme från elektronisk utrustning är främst beroende av principerna för ledning och konvektion. Ledning ger medel för att flytta värme från platser där den genereras till någon annanstans i systemet och sedan i slutändan till den omgivande miljön.

Till exempel kan värme som alstras i en IC ledas genom kretskortet in i utrustningens hölje, eller in i en kylfläns som ska avledas till den omgivande luften genom konvektion. I vissa system är naturlig konvektion tillräcklig, men ofta är det nödvändigt att lägga till en fläkt för att ge luftkylning.

Tvingad luftkylning är dock inte alltid ett alternativ för termisk hantering. Vissa system är stängda och har inga medel för att ventilera kylluft, medan det i andra situationer kanske inte är acceptabelt med kylfläktar. Termoelektriska moduler ger ett sådant alternativ och är i själva verket halvledarvärmepumpar som kan användas för både kylning och uppvärmning.

Vad är en Peltier termoelektrisk modul?

Den termoelektriska effekten är känd för de flesta ingenjörer från dess användning i termoelement där den används för att mäta temperaturen. Denna effekt, upptäckt av Thomas Seebeck i början av 1800-talet, får en ström att strömma när det finns en temperaturskillnad mellan korsningarna mellan två olika ledare.

Peltier-effekten, upptäckt av Jean Peltier ett decennium senare, visade den omvända principen, så att värme kan släppas ut eller absorberas genom att leda ström genom två olika ledare. Praktisk tillämpning av Peltier-effekten blev emellertid endast möjlig genom framsteg inom halvledarteknik från mitten av 1900-talet och nyligen har moderna tekniker möjliggjort effektiva termoelektriska moduler.

Implementeringen av en Peltier termoelektrisk modul använder N-typ och P-typ Bismuth Telluride halvledarmaterial anslutna till en strömkälla och inklämda mellan värmeledande metalliserade keramiska substrat. Paren med P / N-halvledarpellets är elektriskt anslutna i serie, men termiskt anordnade parallellt för att maximera termisk överföring mellan de varma och kalla keramiska ytorna på modulen (se figur 1).

Figur 1. Strukturen för en Peltier-modul använder en uppsättning dopade halvledarpellets

Att applicera en likspänning får de positiva och negativa laddningsbärarna att absorbera värme från en substratyta och överföra och släppa den till substratet på motsatt sida (se figur 2). Därför blir ytan där energi absorberas kall och den motsatta ytan, där energin frigörs, blir varm. Omvänd polaritet vänder de varma och kalla sidorna.

Figur 2. Peltier-principen som använder N-typ och P-typ Bismuth Telluride halvledarmaterial

Fördelarna med Peltier-moduler

Som anges i början är den främsta motivationen för att använda Peltier-moduler att de är idealiska för situationer där tvungen luftkylning inte är ett alternativ, t.ex. i förseglad utrustning / miljöer. Andra viktiga fördelar de erbjuder är:

Exakt temperaturkontroll och ett snabbt temperaturrespons:

• För varje given modul som arbetar med en känd temperaturskillnad mellan dess heta och kalla ytor, finns det väldefinierade förhållanden som bestämmer matningsströmmen som måste appliceras för att uppnå önskad värmeabsorption. Snabba återkopplingskretsar gör att temperaturer kan kontrolleras inom en bråkdel av en grad.

Kompakt formfaktor och lätt

• Peltier-moduler kan vara extremt kompakta, med höjdprofiler så låga som 3 mm. Denna funktion är särskilt attraktiv för applikationer där storlek och vikt är ett problem.
• Kan kyla under omgivningen
• Eftersom Peltier-moduler ger aktiv kylning för att avlägsna värme kan de uppnå temperaturer under omgivningen. Av denna anledning tillhandahåller tillverkare vanligtvis prestandadata för en het yttemperatur på 27 ° C och 50 ° C.
• Hög tillförlitlighet på grund av halvledarkonstruktion utan rörliga delar
• Till skillnad från tvångsluftkylsystem som använder fläktar vars lager har en begränsad livslängd har Peltier-modulerna inga rörliga delar som kan slitas ut. När du arbetar med en konstant temperaturskillnad kan en typisk MTBF (genomsnittlig tid mellan fel) vara 100 000 timmar.
• Miljövänlig
• Eftersom Peltier-moduler inte använder köldmedier finns det ingen risk för miljön, varken från utsläpp under drift eller när utrustning kasseras i slutet av dess livslängd.
• Kan användas för kylning eller uppvärmning
• Genom att vända strömflödet kan Peltier-moduler användas för att pumpa värme in i ett system snarare än att extrahera värme. De kan faktiskt också användas som termoelektriska generatorer för att skörda energi från spillvärme.

arcTEC ™ Structure - En avancerad konstruktionsteknik för att bekämpa termisk utmattning

En känd nackdel med konventionellt tillverkade termoelektriska kylare är termisk utmattning, vilket kan påverka integriteten hos lödbindningarna mellan den elektriska sammankopplingen (koppar) och P / N-halvledarelementen, liksom löd- eller sintringsbindningarna mellan sammankopplingen och det keramiska substratet. , som visas i figur 3. Även om dessa bindningstekniker normalt skapar starka mekaniska, termiska och elektriska bindningar, är de oflexibla, och när de utsätts för upprepade uppvärmnings- och kylcykler som är typiska för normal Peltier-moduldrift kan de brytas ned och så småningom misslyckas .

Figur 3. Peltier-modulstruktur med konventionella löd- och sinterbindningar

ArcTEC ™ -strukturen är en avancerad konstruktionsteknik för Peltier-moduler, utformad och implementerad av CUI för att bekämpa effekterna av termisk utmattning. I arcTEC-strukturen ersätts den konventionella lödbindningen mellan kopparens elektriska förbindning och det keramiska substratet på modulens kalla sida med ett värmeledande harts. Detta harts ger en elastisk bindning i modulen som möjliggör expansion och sammandragning som uppstår under upprepad termisk cykling av normal Peltier-moduldrift. Elasticiteten hos detta harts minskar spänningar i modulen samtidigt som man uppnår en bättre termisk anslutning och en överlägsen mekanisk bindning, och visar inget markant nedfall i prestanda över tiden.

Figur 4. CUI: s arcTEC-struktur ersätter den kalla keramiska till kopparbindningen med harts och använder SbSn-löd i stället för konventionell BiSn-lödning för koppar till halvledarbindningar

Tillsammans med hartsbindningen använder moduler med arcTEC-strukturen SbSn-löd för att ersätta BiSn-lödet som vanligtvis används mellan P / N-halvledarelementen och kopparanslutningen - se figur 4. Med sin mycket högre smältpunkt på 235 ° C jämfört med 138 ° C för BiSn, SbSn-lödning ger överlägsen motståndskraft mot termisk utmattning och en bättre skjuvhållfasthet.

arcTEC-strukturen ger förbättrad tillförlitlighet och termisk prestanda

Bindningsfel i Peltier-moduler manifesterar sig som en ökning av motståndet och förvärras av upprepad termisk cykling. Eftersom en förväntad livslängd för en modul är beroende av kvaliteten på dessa bindningar, är förändringen i motstånd med antalet termiska cykler en användbar förutsägare för fel. Det visar vidare den starka skillnaden mellan moduler byggda med och utan arcTEC-strukturen, vilket kan ses av resultaten som presenteras i figur 5.

Figur 5. Pålitlighet för arcTEC-strukturen jämfört med moduler med standardkonstruktion

Det andra förskottet som erbjuds av arcTEC-strukturen är användningen av P / N-element tillverkade av premiumkisel som är upp till 2,7 gånger större än de som används av andra moduler. Detta säkerställer en jämnare kylningsprestanda, vilket undviker ojämna temperaturer som bidrar till risken för en kortare livslängd, samtidigt som det ger mer än 50% förbättring av kyltiden jämfört med konkurrerande moduler - ett prestandagap som ökar när antalet termiska cykler ökar (se figur 6).

Figur 6. Jämförelse mellan IR-temperaturfördelningen för en konventionell Peltier-modul (överst) och en modul byggd med hjälp av arcTEC-strukturen (botten)

Slutsats

Termoelektriska moduler är ett annat verktyg för designtekniker som måste bekämpa överskottsvärme som genereras av alltmer komplexa integrerade kretsar och andra elektroniska komponenter som är begränsade i allt mindre utrymmen. Peltier-modulen blir den idealiska lösningen inför tätade miljöer där kylning med tvungen luft har blivit ineffektiv. Dessutom möjliggör termoelektriska moduler exakt temperaturkontroll och möjliggör kylning under omgivningen.

Medan fördelarna med termoelektriska moduler som fungerar som värmepumpar för att avlägsna värme blir mer populära, är minskningen av livslängden på grund av värmemötthet från upprepade värme- och kylcykler ett problem för konventionella termoelektriska kylare. Detta problem uppstår på grund av de starka men oflexibla bindningarna som är nödvändiga för att ansluta modulens interna element för att få den att fungera.

Men tack vare arcTEC-strukturen implementerad i CUI: s linje av

högpresterande Peltier-moduler

, detta problem har uppfyllt sin match. CUI: s Peltier-moduler med arcTEC-strukturen har avsevärt bättre tillförlitlighet, överstiger 30 000 termiska cykler och en förbättring av kyltiden jämfört med konkurrerande enheter, men dina behov av termisk hantering täcks där kylning med tvungen luft inte är ett alternativ.

För mer information om Peltier Devices, besök

http://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

Om författaren

Jeff Smoot är vice ordförande för Applications Engineering, CUI Inc.